细胞破碎
细胞破碎的名词解释
细胞破碎的名词解释细胞，作为生物体的基本结构和功能单位，广泛存在于生物界的各个领域。
从单细胞的原核生物到多细胞的复杂生物系统，细胞在构建和维持生命过程中起到了至关重要的作用。
然而，有时候，细胞会经历破碎这一过程，这是细胞学中一个具有重要意义的现象。
细胞破碎，又被称为细胞溶解、细胞裂解或细胞破裂，是指细胞结构完整地被瓦解并释放细胞内的内容物。
这一过程通常在特定的生理或病理情况下发生，在整个生命过程中具有重大影响，并在多个领域得到广泛研究。
细胞破碎可以采取不同的形式和机制，其中包括细胞溶解和细胞裂解。
细胞溶解是细胞膜破裂，细胞内部的各种细胞器被释放到细胞外环境中，细胞溶解往往发生在细胞死亡或损伤的过程中。
而细胞裂解则是指细胞内部膜系的破裂，导致细胞内的亚细胞结构和细胞器被释放出来。
细胞裂解常见于实验室研究和技术操作中，以获得特定的细胞组分。
细胞破碎有多种触发机制。
其中一个重要的机制是细胞凋亡，也被称为程序性细胞死亡。
细胞凋亡是一个高度调控的过程，在生理和病理情况下发挥重要的作用。
在细胞凋亡中，细胞会收缩和凝聚，细胞膜表面的脂质二层会破裂，释放出凋亡体，这些细胞内的有害物质最终会被引发和清除。
细胞破碎还可以通过机械力、热力以及化学刺激等方式来实现。
在生理和病理情况下，细胞受到外部刺激或压力时，细胞膜的完整性可能会受到破坏，导致细胞破碎。
此外，高温、酸碱度的改变，以及化学物质的作用也可能导致细胞破碎。
细胞破碎在生物学领域中有着广泛的应用。
例如，在实验室中，研究者通常需要获得特定的亚细胞结构或细胞器，以便进行进一步的研究和分析。
细胞破碎技术可以帮助研究者获得所需的细胞组分。
此外，在生物工程和生物医学研究中，细胞破碎也被应用于细胞组织工程、药物递送和基因治疗等领域。
然而，对于细胞破碎的机制和影响还有很多需要深入研究的问题。
例如，细胞破碎对周围环境的影响以及细胞破碎的遗传稳定性等问题需要进一步研究。
同时，对于细胞破碎的控制和调控机制的研究也具有重要意义。
第四章 细胞破碎和分离技术
（一）双水相分离技术 1、双水相体系简介
1896年，荷兰微生物学家Beijerinck发现
明胶
琼脂（或可溶性淀粉）
传统的双水相体系是指高聚物双水相体系
憎水程度有所差异
2、常用双水相体系 （1）聚乙二醇(PEG)/葡聚糖； （2）聚乙二醇(PEG)/盐相（硫酸盐或者磷酸盐）
聚乙二醇(PEG) 无毒、无刺激性，具有良好的水溶性
洋葱质壁分离
2、冷冻-融化法
（1）方法：将细胞放在低温下冷冻，然后在 室温中融化，反复多次而达到破壁作用。
（2）原理：一方面破坏细胞膜的通透性，另 一方面胞内水结晶，形成冰晶粒，细胞液浓度 增高引起细胞溶胀而破裂。
大肠杆菌：可用液氮/37℃反复冻融法破壁
适用于细胞壁较脆弱的菌体，需反复 多次，速率慢，产量低，在冻融过程 中可能引起某些蛋白质变性。
举例
珠磨法 固体剪切作用 便宜 大规模处理
高压匀浆法 液体剪切作用 适中 大规模处理 超声波法 液体剪切作用 昂贵 小规模处理
（二）物理法 1、渗透压冲击法 2、冷冻-融化法
1、渗透压冲击法（最温和）
将细胞放在高渗溶液中（如高浓度蔗糖溶液），由 于渗透压的作用，细胞内水分便向外渗出，细胞发 生收缩，当达到平衡后，将细胞转入水或低渗缓冲 液中，由于渗透压的突然变化，胞外的水迅速渗入 胞内，引起细胞快速膨胀而破裂。 仅适用 2、酸处理 3、化学试剂法
1、碱处理 pH值=11.5---12.5碱处理可导致细胞溶解。
优点：价格便宜，适于任何规模 的操作，易使蛋白使活。
2、酸热法
盐酸对细胞壁中的某些成分（主要是多糖和 蛋白质）的水解作用，使细胞壁结构变疏松， 同时经沸水浴处理，细胞吸水膨胀破裂。
缺点：破壁效果差，后续处理难除HCl。
细胞破碎效果的检查方法
细胞破碎效果的检查方法摘要：一、引言二、细胞破碎效果的检查方法1.形态观察2.细胞内颗粒物的释放3.细胞膜完整性检测4.细胞活力的测定5.细胞代谢活动的评估三、方法的选择与优化四、结论正文：一、引言细胞破碎在生物学、医学和生物技术领域具有广泛的应用，如细胞提取物制备、基因转染、药物筛选等。
为了确保实验结果的准确性和可靠性，对细胞破碎效果的检查至关重要。
本文将对细胞破碎效果的检查方法进行综述，以期为实验工作者提供参考。
二、细胞破碎效果的检查方法1.形态观察通过光学显微镜观察细胞破碎后的形态变化，如细胞碎片、细胞膜完整性等。
这种方法简单直观，但受限于观察范围和细胞形态的分辨率。
2.细胞内颗粒物的释放检测细胞破碎后细胞内颗粒物的释放，如酶、核酸、蛋白质等。
通过比色法、荧光定量PCR等方法检测，可反映细胞破碎程度。
3.细胞膜完整性检测细胞膜完整性是细胞生存的基础。
通过检测细胞膜上的荧光标记物，如钙离子荧光探针，评估细胞膜的完整性。
4.细胞活力的测定细胞活力是评价细胞破碎后生物活性的一项重要指标。
常用比色法（如MTT法）、荧光法（如CCK-8法）等检测细胞活力。
5.细胞代谢活动的评估细胞代谢活动与细胞生存密切相关。
通过检测细胞内代谢物浓度、酶活性等参数，评估细胞破碎后的代谢活动水平。
三、方法的选择与优化根据实验目的、细胞类型和实验条件，选择合适的方法进行细胞破碎效果的检查。
同时，优化实验条件，如破碎参数、检测方法等，以提高检测准确性。
四、结论细胞破碎效果的检查方法多种多样，实验工作者可根据实际需求选择合适的方法。
实验室常用的细胞破碎方法
实验室常用的细胞破碎方法
实验室常用的细胞破碎方法有物理法和化学法。
1、物理法
（1）反复冻融：将细胞反复放置于-20℃冷冻以及25-30℃环境下，反复冷冻溶解10次-20次。
适用于例如血细胞等大部分哺乳动物细胞。
（2）煮沸法：与冻融法相反，将细胞放置于100℃沸水煮沸5-10分钟，适用于大部分微生物细胞。
（3）超声法：将细胞放置于超声破碎仪中，以一定频率的超声破碎细胞，适用于绝大部分微生物细胞。
（4）渗透压法：将血细胞等细胞膜较为薄弱的细胞放置于纯水等低渗溶液，细胞吸收大量水分破解。
（5）液氮法：植物细胞一般采用液氮捻磨的方法破解细胞。
2、化学法
（1）强酸、强碱溶液：一般应用0.5N NaOH溶液可以裂解绝大部分动物细胞和微生物细胞。
（2）生物酶：一般用溶菌酶、蛋白酶K等酶裂解微生物细胞。
几种常见的细胞破碎方法
几种常见的细胞破碎方法：
一、机械方法
1、捣碎发：一般用组织捣碎机，适用于动物组织及植物组织的破碎。
2、研磨法：一般手工研磨，适用少量的细菌或坚硬之物组织。
3、匀浆法：主要是利用高压827bar使细胞破碎。
二、物理方法
1、温差法：主要通过反复的冻溶或急热骤冷等温度变化来达到目的
2、压差法：使用加压的方法主要采用高压匀浆机来破碎
3、超声法：采用超声波15-20KHz使细胞在高强度急剧振动下破碎
三、生物化学方法
1、采用化学试剂甲苯、丙酮、氯仿、Triton等通过化学渗透使细胞内含物选择性的渗透出来。
2、自溶法：主要通过一定的pH和温度，借助细胞内的自身酶系使细胞破碎。
3、酶解法：利用各种水解酶、或变性剂如8M 尿素、6M 盐酸胍等变性剂、表面活性剂NLS、SDS等使细胞破碎。
细胞破碎原理
细胞破碎原理
细胞破碎是一种常见的实验操作，也是生物学研究中的重要步骤。
它的原理是将细胞膜破裂，释放细胞内的各种成分，以便进行后续的实验操作。
细胞破碎原理涉及到多种方法和技术，下面将详细介绍其中几种常见的细胞破碎原理。
首先，最常用的细胞破碎方法之一是超声破碎。
超声波是一种机械波，具有高频振动的特性。
在细胞破碎实验中，超声波可以有效地破坏细胞膜结构，使细胞内的成分释放出来。
超声破碎通常需要在低温环境下进行，以避免细胞内的酶活性影响实验结果。
其次，离心破碎也是一种常见的细胞破碎方法。
通过高速离心作用，可以将细胞内的各种成分分离开来，达到破碎细胞的目的。
离心破碎的优点是操作简单，且可以避免超声破碎可能带来的高温影响。
另外，化学破碎也是一种常用的细胞破碎方法。
通过特定的化学试剂，可以破坏细胞膜结构，使细胞内的成分释放出来。
不过，化学破碎需要谨慎操作，以免化学试剂对细胞内成分造成影响。
除了以上几种方法外，还有一些其他的细胞破碎方法，如高压破碎、冻融破碎等。
每种方法都有其特点和适用范围，研究人员可以根据实验需要选择合适的方法进行细胞破碎。
总的来说，细胞破碎原理是通过物理、化学或机械手段破坏细胞膜结构，释放细胞内的成分。
在进行细胞破碎实验时，需要根据实验要求选择合适的方法，并注意操作细节，以确保实验结果的准确性和可靠性。
希望本文对细胞破碎原理有所帮助，谢谢阅读。
第4章细胞破碎2010
第一节 第二节 第三节
细胞破碎的分类 细胞壁的组成与结构 常用破碎方法 珠磨法 高压匀浆法 超声波破碎法 酶解法 化学渗透法 其它方法
第四节 破碎率的测定与破碎技术的研究方向
第一节 细胞破碎的分类
许多生物产品都存在于细胞内部（如胰岛素、干扰素）
很多基因工程产物都是胞内物质， 因此，细胞破碎是提 取这些成分的第一步，也是提取产物的关键性步骤，
关于破碎技术的研究更加引起基因工程专家和生物工程学者 的关注。
二、细胞破碎的分类
细胞破碎的目的是释放出细胞内含物， 其方法很多，按照是否施加外力可分为 机械法和非机械法两大类。
机械法工业运用较为成熟，非机械 法的实验室研发也相当活跃。
机械法中的高速湿法珠磨和高压匀浆
法不仅在实验室被广泛运用，而且已经在工 业生产中应用。非机械法中的酶溶法和化学 渗透研究也较为成熟。新型破碎手段，如激 光破碎法、冷冻-喷射法、高速相向流撞击法 等的研究有待进一步深入和完善。
四、细胞壁结构与细胞破碎
细胞破碎就是破坏细胞壁网状结构的共价键，对于不 同的细胞，由于其细胞壁的组成及结构的差异，破碎的难 以程度不同。
对于机械破碎，细胞的大小和形状、细胞壁的厚度及 聚合物的交联程度，影响破碎的难以程度。个体小、球形、 厚壁、交联程度高的细胞难破碎。
对于酶法或化学溶剂法，细胞壁的组成特别重要，结 构次之。
高压匀浆一般需多级操作，每次循环前进行级 间冷却。提高压力有利于细胞破碎，但会增加能耗。
存在的问题 除了较易造成堵塞的团状或丝状 真菌以及较小的革兰氏阳性菌不适合此法外，其他 微生物都可用高压匀浆法破碎。
另外，有些坚硬的亚细胞器易损坏匀浆阀，也 不宜采用。
大肠杆菌 生长在复杂 培养基上比 生长在简单 培养基上更 坚固。
细胞破碎的技巧
细胞破碎的技巧
细胞破碎是一种常用的实验技术，用于释放和提取细胞内的蛋白质、DNA、RNA 等物质。
下面是一些常用的细胞破碎技巧：
1. 震荡法：使用震荡器或振荡器将细胞在缓冲液中震荡破碎。
这种方法适合于破碎较小数量的细胞，效果较轻微。
2. 超声波破碎法：使用超声波振荡器将细胞暴露在超声波中，超声波的能量对细胞进行破碎。
这种方法可以快速高效地破碎大量的细胞。
3. 高压法：利用高压机或高压均质器将细胞通过高压作用破碎。
这种方法适用于比较坚硬的细胞或细胞壁较厚的细胞。
4. 冷冻破碎法：将液氮浸入细胞悬液中，使细胞迅速冷冻，然后用玻璃杵或超声波破碎器打碎冷冻的细胞。
这种方法适用于需要保留细胞内部结构的实验。
5. 酶解法：使用特定的酶来破坏细胞壁或细胞膜，使细胞释放出内部的物质。
这种方法适用于特定的细胞类型和实验目的。
不同的细胞类型和实验目的可能需要不同的破碎方法，因此选择合适的方法是十分重要的。
此外，为了最大限度地保留目标物质的完整性和活性，选择合适的缓
冲液和温度条件也是非常重要的。
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革兰氏 阴性细菌 10-13 nm
酵母菌 100-300nm
霉菌 真菌 100-250nm
层次
单层
多层
肽聚糖 (5-10%) 脂蛋白 脂多糖(11-22%) 磷脂 蛋白质
多层
葡聚糖(30-40%) 甘露聚糖(30%) 蛋白质(6-8%) 脂类(8.513.5%)
多层
多聚糖 (80-90%) 脂类 蛋白质
磨室内放臵玻璃小珠，装在同心轴上的园盘搅拌器 高速旋转，使细胞悬浮液和玻离小珠相互搅动； 细胞破碎是由剪切力层之间的碰撞和磨料滚动引起 在出口处，旋转园盘和出口平 板之间的狭缝很小，可阻挡玻 离小珠，使不被料液带出。 由于操作过程中会产生热量， 故磨室还装有冷却夹套，以冷 却细胞悬浮液和玻离小珠。
机械破碎 物理破碎
捣碎法 研磨法 匀浆法 超声法 温度差破碎法 压力差破碎法 有机溶剂： 表面活性剂： 酸碱 自溶法 外加酶制剂法
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化学破碎
酶促破碎
一 机械法
机械破碎法又可分为 高压匀浆破碎法（homogenization） 高速珠研磨破碎法（bead grinding） 超声波破碎法（ultrasonication）
主要 肽聚糖(40-90%) 组成 多糖 胞壁酸 蛋白质 脂多糖(1-4%)
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植物细胞壁的结构
对于已生长结束的植物细胞壁可分为初生壁和次生 壁两部分。
初生壁是细胞生长期形成的。初生壁一般较薄（1～ 3μm），富有弹性。 由多糖和蛋白质构成，多糖主要成分为纤维素、半 纤维素和果胶类物质。纤维素是长链D-葡聚糖，许 多这样的长链形成微纤丝。 它是构成细胞壁的骨架，细胞壁的机械强度主要来 自于微纤丝。
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植物次生细胞壁
某些植物细胞，当生长停止后，在细胞质和初生 细胞壁之间形成了次生细胞壁。次生壁一般较厚 (4μm以上)，常有三层组成。 在次生壁中，纤维素和半纤维素含量比初生壁增 加很多，纤维素的微纤丝排列得更紧密和有规则， 而且存在木质素的沉积。 因此次生壁的形成提高了细胞壁的坚硬性， 使植物细胞具有很高的机械强度。
一般认为在超声波作用下液体发生空化作用 （cavitation), 液体中局部空穴的形成、增大和闭合产生极大 的冲击波和剪切力，引起的粘滞性旋涡在细胞 上造成了剪切力，使细胞内液体发生流动，从 而使细胞破碎。 操作过程产生大量的热，因此操作需在冰水或 外部冷却的容器中进行。
JY92-II D超声波 细胞粉碎机
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红面包霉菌细胞壁具有同心圆层 状结构主要存在三种聚合物 最外层 (a) 是α- 和β- 葡聚糖的 混合物， 第2层(b)是糖蛋白的网状结构 第3层(c)主要是蛋白质， 最内层(d)主要是几丁质。
红面包霉菌细胞壁的结构示意图
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细胞壁的组成和结构
微生 物 壁厚
革兰氏 阳性细菌 20-80 nm
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1.高压匀浆法 （High-pressure homogenization）
采用高压匀浆器（由高压泵和匀浆阀组成）。
细胞悬浮液自高压 室针形阀喷出时， 每秒速度高达几百 米，高速喷出的浆 液又射到静止的撞 击环上，被迫改变 方向从出口管流出。 阀杆 细胞在这一系列高 阀座 撞击环 阀杆 速运动过程中经历 压力控制手轮 了高速剪切、碰撞 及压力骤降，造成 APV Manton Gaulin 高压匀浆器针型阀结构简图 细胞破碎。 19
28
Netzsch LM-20型珠磨机
园盘以两种位臵交错地安装在轴上， 一种处于径向，一种与轴倾斜， 径向盘使磨料沿径向运动，倾斜盘则产生轴向运动。 由于交错的运动，提高了破碎效率。
A-具有冷却夹套的圆筒形磨室 B-具有冷却装置的搅拌轴和圆盘 C-环形震动侠缝分离器 D-变速马达 1和2料液进出口 3和4 搅拌冷却剂进出口 5和6磨室冷却剂进出口 29
2
路线一
路线二
清液－胞外产物
路线一A
本章内容
本章的主要内容
常见的细胞壁结构
细胞破碎技术
包涵体的纯化方法
3
概述
不同类型的细胞分泌目标产物的类型： 动物细胞多分泌到细胞外培养液 植物细胞多为胞内产物 微生物（细菌/酵母/真菌）胞内、胞外 对于胞内产物需要收集菌体或细胞进行 破碎。
4
概述
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超声波破碎的适用范围
超声波破碎是很强烈的破碎方法，适用于多数 微生物的破碎。 一般杆菌比球菌易破碎，G-细菌比G+细菌易破 碎，对酵母菌的效果较差。 但超声波产生的化学自由基团能使某些敏感性 活性物质失活。 超声波破碎的有效能量利用率极低 由于对冷却的要求相当苛刻，所以不易放大， 但在实验室小规模细胞破碎中常用。
10
真菌的细胞壁
真菌的细胞壁较厚，主要由多糖组成，其次 还含有较少量的蛋白质和脂类。 不同的真菌，细胞壁的组成有很大的不同， 其中大多数真菌的多糖壁是由几丁质和葡聚 糖构成，少数含纤维素。 与酵母和细菌的细胞壁一样，真菌细胞壁的 强度和聚合物的网状结构有关，不仅如此， 它还含有几丁质或纤维素的纤维状结构，所 以强度有所提高。
珠磨机破碎作用方程
破碎作用是相对于时间的一级反应速度过程， 符合下列公式：
ln[1/(1-R)]=Kt
15-2
R — 破碎率；K一 一级反应速度常数；t一 时间。 K与搅拌转速、细胞悬浮液浓度和循环速度、玻璃小珠 装量和珠体直径，以及温度等相关。
珠磨法的破碎率一般控制在80%以下：降低能耗、减少大分 子目的产物的失活、减少由于高破碎率产生的细胞小碎片不 易分离而给后续操作带来的困难。
25
高压匀浆法-X-挤压器
改进的高压方法：将浓缩的菌体悬液冷却至25℃至-30℃形成冰晶体，利用500MPa以上的 高压冲击，冷冻细胞从高压阀小孔中挤出。 细胞破碎是由于冰晶体在受压时的相变，包埋 在冰中的细胞变形所引起的。 主要用于实验室中。 优点是适用的范围广，破碎率高，细胞碎片的 粉碎程度低以及活性的保留率高 对冷冻一融解敏感的生化物质不适用。
标准阀
细胞破碎阀
锯齿阀
刀型阀 锥型阀 球型细胞破碎阀 高压匀浆器各种阀型设计
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高压匀浆器的种类
高压匀浆器的种类较多：
WAB公司的AVP Gaulin 31MR型 Bran and luebbe 公司SHL40型 意大利Niro Soavi
高压匀浆机
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高压匀浆法使用时注意事项
高压匀浆器的操作温度上升约２-３℃/10MPa 为了控制温度的升高，可在进口处用干冰调节 温度，使出口温度调节在20℃左右。 可以采用单次通过匀浆器或多次循环通过等方 式。 在工业规模的细胞破碎中，对于酵母等难破碎 的及浓度高或处于生长静止期的细胞，常采用 多次循环的操作方法。
被破碎的细胞分率符合如下公式： ln[1/(1-R)]=KNPɑ (15-1) 式中 R — 破碎率，为N次循环后，蛋白 质的释放量Rn与最大释放量Rm之比； K － 与温度有关的速度常数； P － 操作压力，MPa； ɑ－ 与微生物种类有关的常数。
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影响高压匀浆器细胞破碎因素
升高压力有利于破碎，
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不同机械破碎方法的比较
技术
匀浆法 (孔型)
原理
效果 成本
举例
珠磨破 碎法
超声波 法 研磨法 匀浆法 (片型)
须使细胞通过的小 剧烈 适中 细胞悬浮液大规模 处理 孔，使细胞受到剪 切力而破碎 细胞被玻璃珠或铁 剧烈 便宜 细胞悬浮液和植物 珠捣碎 细胞的大规模处理 用超声波的空穴作 适中 昂贵 细胞悬浮液小规模 用使细胞破碎 处理 细胞被研磨物磨碎 适中 便宜 细胞被搅拌器劈碎 适中 适中 动物组织及动物细 胞
15
n
15.2 细胞破碎技术
破碎方式 机械法 非机械法
固体剪切 作用 压榨 研磨
液体剪切 作用 高 压 匀 浆 超 声 破 碎
干燥 处理 酶溶法
溶胞 作用 化学细胞破碎方法及其原理
通过机械运动产生的剪切 力，使组织、细胞破碎。
通过各种物理因素的作用， 使组织、细胞的外层结构破 坏，而使细胞破碎。 通过各种化学试剂对细胞 膜的作用，而使细胞破碎 通过细胞本身的酶系或外 加酶制剂的催化作用，使 细胞外层结构受到破坏， 而达到细胞破碎
大多数情况下，抗生素，胞外酶，一些多糖，
及氨基酸等目标产物存在于发酵液中。
有些目标产物存在于生物体中。 尤其是由基因工程菌产生的大多数蛋白质是
在细胞内沉积。 脂类物质和一些抗生素包含在生物体中。
5
概 述
细胞破碎（cell rupture）技术是指利用外力破
坏细胞膜和细胞壁，使细胞内物质包括目的产 物成分释放出来的技术。
26
2）珠磨法 bead mill
珠磨是常用的方法
细胞悬浮液与极细的玻璃小 珠、石英砂、氧化铝等研磨 剂（直径小于1mm）一起快速 搅拌或研磨，研磨剂、珠子 与细胞之间的互相剪切、碰 撞，使细胞破碎，释放出内 含物。 在工业规模的破碎中，常采 WSK卧式高效全能珠磨机 用高速珠磨机 27
高速珠磨机工作原理
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高压匀浆法适用的范围
—大规模细胞破碎的常用方法 ☆高压匀浆法适用的范围： 酵母和大多数细菌细胞的破碎； 料液细胞浓度可以很高，20%左右。 ☆不宜使用高压匀浆法。
易造成堵塞的团状或丝状真菌， 较小的革兰氏阳性菌， 含有包含体的基因工程菌（因包含体坚硬，易损伤匀 浆阀）
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影响高压匀浆器细胞破碎因素
第十五章 细 胞 破 碎